追求金屬結構材料的高強度、高塑性/韌性是一個永恒的主題。但通過單一的結構細化在提高金屬強度的同時，往往伴隨塑性/韌性的降低。如何突破金屬強度和塑性的對立是力學和材料交叉學科面臨的挑戰。均勻結構由于其結構均勻，動態變形和剪切帶演化機理相對成熟，但缺乏加工硬化能力，在動態條件下缺乏均勻塑性。近年來研究表明，多級結構是高強度金屬突破其塑性瓶頸的一個重要途徑。

多級結構在準靜態條件下具有優于均勻結構的力學性能，那么其在動態條件下是否同樣具有優越的力學性能？各級結構及其協調變形如何影響動態力學性能？多級結構動態變形行為的微結構機理是什么？近期，中國科學院力學研究所、北卡州立大學、約翰霍普金斯大學的科研人員合作，在以上科學問題的研究中取得進展。相關研究成果發表在Materials Research Letters和Acta Materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645418301174

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2017.1334715

針對梯度結構，科研人員設計了一套新的動態剪切試驗手段，首次揭示了梯度納米結構的動態剪切變形機理：由于各層之間在動態變形過程中發生應變分配，產生了額外的加工硬化，能夠延遲剪切帶在納米晶表層的萌生，以及限制剪切帶從表面到芯部的擴展（其傳播速度相比均質結構低一個數量級），梯度納米結構金屬能夠獲得比均質結構優越的動態剪切性能，同時發現廣為人知的剪切帶萌生的最大應力準則在梯度結構中不再適用。

圖1.梯度納米結構的動態剪切變形機理

通過冷軋和低溫短時退火，科研人員在低層錯能金屬中熵合金中獲得多尺度晶粒結構，研究發現多尺度晶粒之間的變形協調和應變分配能夠促進加工硬化，動態變形過程中發生了晶粒細化，能夠延緩剪切帶的萌生，促進動態剪切塑性，獲得了迄今為止報道的最優越的動態剪切性能。同時發現，低溫條件下，能夠促進多級孿晶、相變、位錯鎖等晶內缺陷的萌生和交互作用，提升加工硬化能力，導致更優越的動態性能 。該研究為提高金屬材料在沖擊條件下的吸能效率和防護效果提供思路，同時可為高強高韌金屬在極端環境下的應用（如汽車工業的吸能結構、軍事上的防護結構等)提供幫助。

該研究得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃納米專項、中科院戰略性先導科技專項（B類）的資助。

圖2.多尺度晶粒結構中熵合金的優越動態性能和動態變形的微結構機理

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